关于GPS时间与UTC/GMT时间,你需要知道的都在这里

前段时间写了一篇关于GPS周计数翻转的文章,有粉丝在后台问小编,那个周计数翻转时间是怎么计算的?今天,小编就为大家来科普一下这个知识。

在昨天的文章小编有说到,当GPS周计数达到1024时,导航电文中的周计数将翻转为0并重新开始计数。这是指的就是GPS时间经过了1024周,因为GPS计时方法与传统的计时方法是相反的。

不过要想了解GPS时间,首先大家了解一下其他时间的概念,例如UTC/GMT时间和TAI时间等等。

GMT

十七世纪,格林威治皇家天文台为了海上霸权的扩张计画而进行天体观测。1675年旧皇家观测所(Old Royal Observatory) 正式成立,到了1884年决定以通过格林威治的子午线作为划分地球东西两半球的经度零度。

观测所门口墙上有一个标志24小时的时钟,显示当下的时间,对全球而言,这里所设定的时间是世界时间参考点,全球都以格林威治的时间作为标准来设定时间,这就是我们耳熟能详的「格林威治标准时间(Greenwich Mean Time,简称G.M.T.)的由来。

自1924年2月5日开始,格林威治天文台负责每隔一小时向全世界发放调时信息。但是由于地球每天的自转是有些不规则的,而且正在缓慢减速,人们开始使用原子钟定义时间。

UT

但是在使用原子钟定义时间之前,还经历了一个阶段,也就是UT(世界时),这是什么原因呢?

这是因为以前在天文观测中,常常把每天的起始(0时)定为正午,而不是通常民用的午夜,给格林威治平时的意义造成含糊,人们使用世界时(Universal Time, UT)一词来明确表示每天从午夜开始的格林威治平时。

UT(世界时)也有几种表示,UTO表示未经改正的世界时,UT1表示经过极移改正的世界时,UT2表示进一步经过地球自转速度的季节性改正后的世界时。

TAI

在上面小编说了,因为地球自转对时间的影响,人们开始用原子钟来定义时间。称之为原子时。

原子时是一种以原子谐振信号周期为标准,并对他进行连续计数的时标。原子时的基本单位是原子时秒。

但是根据原子时秒的定义,任何原子钟在确定起始历元后,都可以提供原子时。所以全世界有20多个国家的不同的实验室都用原子钟建立各自独立的地方原子时。最后国际时间局比较综合了各地的原子钟数据,最后确定了一个原子时,称为国际原子时,简称TAI。

国际原子时(TAI,来自法国名称Temps atomique international)是一种高精度原子坐标时间标准,它基于地球大地水准面上适当时间的名义通过。它是协调世界时(UTC)的基础,用于整个地球表面的民用计时,以及用于天文计算的地面时间。

TAI作为时间尺度是全球50多个国家实验室中200多个原子钟所保持时间的加权平均值。使用GPS信号和双向卫星时间和频率传输来比较时钟。大部分时钟都是铯钟,所以TAI是基于SI秒的连续计数的国际原子时标。

TAI起点定义在1958年1月1日0时0分0秒(UT2),TAI与UTC的关系是目前领先37秒,与GPS时的关系是始终领先19秒。

UTC

统一了TAI后,为了使定义的时间与地球自转相配合,人们通过在TAI的基础上不定期增减闰秒的方式,使定义的时间与世界时(UT1)保持差异在0.9秒以内,这样定义的时间就是协调世界时(Coordinated Universal Time, UTC)。

UTC叫协调世界时,又称世界统一时间、世界标准时间、国际协调时间。由于英文(CUT)和法文(TUC)的缩写不同,作为妥协,简称UTC。

协调世界时(UTC)是世界上调节时钟和时间的主要时间标准,是最接近格林威治标准时间(GMT)的几个替代时间系统之一。对于大多数用途来说,UTC时间被认为能与GMT时间互换(GMT=UTC),但GMT时间已不再被科学界所确定。

虽然说有UTC协调世界时,但是UTC时间与GMT时间一样,随着地球自转也会有误差,存在着闰秒的干扰,虽然说可以通过官方发布闰秒来“跳秒”解决误差问题(最近的闰秒是在2016年12月31日23:59:60 UTC插入的。)。

为大家解释一下这个“跳秒”。由于UTC时会不定期“增加(目前没有出现减少的情况)”跳秒(或者说闰秒,leap second)以适应地球自转速度变化导致UTC时与天文测量的世界时产生的偏差,因此GPS时与UTC时会相差n个整秒,截至目前(2019年2月),该偏差已经达到18,即GPS时=UTC时+18(GPS时要往后拨慢18秒,其时间的显示才和UTC时一样)。

另外,大家是不是在某些地方见过UTC+8,也可以说成GMT+8,没错,这个就是大家所熟知的北京时间,因为北京时间被UTC时间要早8个小时,所以用UTC+8来表示北京时间。也表示北京位于东八区,既然说到这,小编就不得不说一下时区的概念,可能有很多人对时区这个概念还是觉得比较绕人的。

时区

众所周知,由于时差问题,世界各地的日出日落时刻是不同的。然而,每个国家或地区,都喜欢把日出时刻定在5-7点左右,把日落时刻定在17-19点左右。这样一来,使用全球统一的格林威治标准时间(GMT),就只能停留在专业领域,而在民用领域,大家各自为政,使用适合自己的时间。这就产生了时区。

以穿越英国伦敦格林威治的本初子午线为基准,向东向西分别设置了12个时区,每个时区的“时间”数值相差一个小时。那么时区是怎么划分的呢?跟着小编一起往下看。

以被15整除的子午线为中心,向东西两侧延伸7.5度,即每15°划分一个时区,这是理论时区。理论时区的时间采用其中央经线(或标准经线)的地方时。所以每差一个时区,区时相差一个小时,相差多少个时区,就相差多少个小时。

0时区所采用的时间就是格林威治时间,记为UTC±0,该时间也被采用为国际标准时间度量。东经7.5-22.5度为东一区,以此类推。

但是,国界线可不像经线、纬线那样平直。为了避开国界线,有的时区的形状并不规则,而且比较大的国家以国家内部行政分界线为时区界线,这是实际时区,即法定时区。于是,理论时区匀称、完美的划分,就变成了这样:

从图中可以看到,中国横跨了5个理论时区(从东五区 – 东九区),但是全部归在了法定时区UTC+8。这是为什么呢?

这是因为某一国采用哪一个法定时区,一般取决于首都所在的理论时区。北京位于东八区,因此采用东八区中心经线(120E)所在位置的地方平太阳时(理论时间)作为法定时间,而不是北京的地方平太阳时(北京大致位于116E,40N附近)。上海位于120E,31N,几乎挨着东八时区的中央经线。

但是有些国家采用的是多个时区。美国的法定时区则尽量趋近于理论时区,因此就有了美东、美西、太平洋..等时间的区别。小编认为主要是人口密度和首都位置等因素影响了时区的使用,所以各国为了统一管理或方便管理都采用了不同数量时区的政策。

像多时区更适合农业,日起日落;但是工业社会,长距离的信息沟通,多时区就会造成时间信息混乱,这也是一个方面的原因。

放一张中国的世界地图可能看的要更加清楚,图中,红色矩形内的所有地区都统一划为东八区。

好了,UTC与时区说完了,接下来和小编一起看看GPS时间的概念。

GPS时

GPS时是属于卫星定位系统时间,GPS时出现是因为卫星导航对精确时间计量的需要,卫星系统是连续运行的,要求时间系统是连续的,为了进行高精度定位,要求卫星上的时间计量设备具有很高的精度,因而原子时是最合适的选择。

所以可以说GPS时就是原子时系统的一种,GPS的时间系统采用的是基于美国海军观测实验室维持的原子时。

GPS时的时间基准是1980年1月6日0点与世界协调时刻相一致,以后按原子时秒长累积计时。GPS时间跟UTC时间之差为秒的整倍数。GPS时=UTC+n。如1989年为5秒,1996年为11秒,2002年为13秒。到现在为止为18秒左右。

GPS时间的计时方法与公历的年,月,日格式相反,GPS日期表示为星期数和秒周数。周数作为C / A和P(Y)导航消息中的十位字段发送,因此每1,024周(19.6年)再次变为零。

GPS周0从1980年1月6日00:00:00 UTC(00:00:19 TAI)开始,周数在1999年8月21日23:59:47 UTC时首次变为零(00 :00:19 TAI,1999年8月22日)。也就是昨天小编说的GPS周计数翻转问题,在2019年4月6日又会出现一次。

为了解决这个问题,现代化的GPS导航消息使用了一个13位的字段,每8,192周(157年)只重复一次。

总结

目前,民用应用范围最广的就是UTC(世界协调时),像电脑里的互联网时间,网络时间协议(NTP, Network Time Protocol)就是协调世界时在互联网中使用的一种方式。

另外,世界协调时在军事中会用“Z”来表示,比如说飞机在香港时间(UTC+8)18:00整起飞,就会写成1000z。

举个例子来说一下这些时间的关系,例如小编现在在武汉,时间为北京时间也可以叫做本地时间是2019年2月15日12:00:00,那么UTC时间就是2019年2月15日04:00:00,GPS时间就是2019年2月15日04:00:18,TAI时间就是2019年2月15日04:00:37。

这几种时间的历史顺序小编也为大家梳理一下。

人们最初确定时间的方式是直接观测太阳在当地天空中的位置,例如使用日晷,这样测量出来的时间被称为地方真太阳时(local apparent solar time / local apparent time)。

后来,人们为了解决地球公转轨道不是正圆和黄道与赤道之间存在夹角而造成的测出的时间的流逝不均匀的问题,以假想天体“平太阳”(mean Sun)为基准测量时间,而不再以真太阳为基准,这样测量出来的时间被称为地方平太阳时(local mean solar time / local mean time)。

地方真太阳时和地方平太阳时的差异被称为均时差(equation of time)。

后来,格林尼治天文台所在地的地方平太阳时被定义为全世界的时间标准,被称为格林尼治平时(Greenwich Mean Time),“平时(mean time)”就是“平太阳时(mean solar time)”的意思。

再后来,由于1925年以前人们在天文观测中,常常把每天的起始(0时)定为正午,而不是通常民用的午夜,给格林尼治平时的意义造成含糊,人们使用世界时(Universal Time, UT)一词来明确表示每天从午夜开始的格林尼治平时。

再再后来,人们为了彻底解决定义的时间的流逝不均匀的问题,开始使用原子钟定义时间。人们首先用全世界的原子钟共同为地球确立了一个均匀流动的时间,称为国际原子时(International Atomic Time, TAI)。

再然后,为了使定义的时间与地球自转相配合,人们通过在TAI的基础上不定期增减闰秒的方式,使定义的时间与世界时(UT1)保持差异在0.9秒以内,这样定义的时间就是协调世界时(Coordinated Universal Time, UTC)。

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *